Teorie velkého třesku (Big Bang): vznik vesmíru, důkazy a vývoj

Teorie velkého třesku: jak vznikl vesmír před 13,8 miliardami let, klíčové důkazy a vývoj od singularity po galaxie — srozumitelný a aktuální přehled.

Velký třesk je vědecká teorie o tom, jak vznikl vesmír a následně hvězdy a galaxie, které vidíme dnes. Jde o rámec, který popisuje vývoj vesmíru od velmi raných stádií až po současnost a vysvětluje řadu pozorovaných jevů. Teorie není jediným slovem o „počátku všeho“, ale představuje nejpřesněji ověřený model kosmologického vývoje založený na obecné teorii relativity, pozorováních a fyzikálních teoriích částic.

Podle této teorie vesmír na počátku procházel fází, kdy byl extrémně horký, velmi malý a mimořádně hustý. V raných okamžicích mohly být čtyři základní síly (gravitační, elektromagnetická, silná a slabá) v některých fázích částečně sloučeny nebo jejich chování odpovídalo podmínkám vysoké energie. V klasickém pojetí obecné relativity se počáteční stav často popisuje jako singularita, avšak je důležité zdůraznit, že singularita spíše signalizuje hranici použití současných teorií (relativita) a že konečná odpověď bude vyžadovat kvantovou teorii gravitace.

Aktuální odhady stáří vesmíru odvozují, že expanze začala přibližně před 13,8 miliardami let. Už na začátku 20. století teoretici jako Alexander Friedman a později Georges Lemaître ukázali, že řešení Einsteinových rovnic umožňují rozpínající se vesmír a že jej lze „vysledovat zpět“ k velmi hustému stavu. Pozorování rozšiřování prostoru (viz níže) tuto předpověď potvrdila; vesmír se rozpíná i dnes a jeho průměrná teplota s časem klesá.

Důkazy podporující model Velkého třesku

Teorii velkého třesku podporuje několik nezávislých pozorování a měření. Mezi hlavní důkazy patří:

• Červený posuv galaxií – odhaluje, že vzdálené objekty se od nás vzdaluji. Pozorovaný červený posuv lze částečně interpretovat jako Dopplerův jev, který se projevuje ve světle, ale v kontextu kosmologie je přesnější mluvit o kosmologickém posuvu, tedy o natahování vlnové délky světla způsobeném rozpínáním prostoru. Spektrální čáry se posouvají do červené části spektru, čímž lze určit rychlost ústupu a vzdálenost objektů a odvodit rozšiřování vesmíru.
• Kvasary a Hubbleův zákon – systematická pozorování ukazují vztah mezi vzdáleností a rychlostí úniku galaxií (Hubbleův zákon), který je konzistentní s rozpínajícím se prostorem.
• Kosmické mikrovlnné záření – též nazývané kosmické mikrovlnné záření pozadí (CMB). Přítomnost tohoto slabého, téměř izotropního záření v mikrovlnné oblasti byla předpovězena a v roce 1965 objevena empiricky; odpovídá stavu po ochlazení vesmíru, kdy se po asi 380 000 letech mohly vytvořit neutrální atomy a fotony se „oddělily“ od hmoty. Moderní mapování anizotropií pomocí družic COBE, WMAP a Planck poskytlo velmi přesné informace o obsahu a geometrii vesmíru.
• Primordiální nukleosyntéza – teoretické předpovědi o poměru velmi lehkých chemických prvků vzniklých v prvních minutách (především vodík, helium a malé množství lithium, ale i deuterium) se shodují s astronomickými měřeními. To potvrzuje horké a husté rané stádiu vesmíru.
• Velkoplošné uspořádání vesmíru – distribuce galaxií, shluků a prázdných oblastí odpovídá simulacím vývoje struktur z drobných počátečních fluktuací, které jsou zřetelné v CMB.

Krátký přehled hlavních epoch vývoje

• Planckova éra (t < 10^-43 s): fyzikální popis vyžaduje kvantovou teorii gravitace.
• Inflace (velmi raná fáze): exponenciální zvětšení objemu, které vysvětluje homogenitu a izotropii pozorovanou v CMB a původ drobných fluktuací.
• Reheating a nukleosyntéza: částice a lehké prvky vznikají během prvních minut.
• Rekombinace (asi 380 000 let): vznik neutrálních atomů, uvolnění fotonů tvořících CMB.
• Tma kosmu a tvorba prvních hvězd: vznik prvních hvězd a galaxií následné reionizaci plynu ve vesmíru.
• Formování struktur: vznik galaxií, shluků galaxií a supershluků až do současnosti.

Co teorie nevysvětluje úplně a otevřené otázky

I když model velkého třesku (v současné nejúspěšnější podobě označované jako ΛCDM – Lambda studená temná hmota) velmi dobře popisuje velkou část pozorování, existují zásadní nevyřešené otázky:

• Podstata temné hmoty a temné energie, které dohromady tvoří většinu energie-vesmíru podle současných odhadů.
• Přesná povaha počátečních podmínek a mechanismus inflace – jaká fyzika stojí za inflací a co jí ukončilo.
• Singularita a počátek času – obecná relativita předpovídá singularitu, ale role kvantové gravitace může popis úplně změnit. Některé alternativní modely (cyklické vesmíry, ekpyrotické modely, multiverza atd.) nabízejí jiné scénáře, ale žádný z nich není zatím experimentálně potvrzen.
• Aktuální „Hubbleova tenze“ – nesoulad mezi hodnotou expanzního tempa vesmíru měřenou z pozorování blízkých objektů a hodnotou odvozenou z CMB.

Historický kontext: název „velký třesk“ poprvé v rozhlasovém pořadu použil Fred Hoyle jako ironický výraz; on sám preferoval stacionární model. Přesto se označení ujalo a dnes se používá jako populární název pro kosmologický model rozpínajícího se vesmíru.

Vědci se na základě mnoha pozorováních shodují, že model velkého třesku velmi dobře vysvětluje to, co doposud pozorovali. Přesto existují osobnosti, které upozorňují na rezervy v našem porozumění. Například Jim Peebles, oceněný Nobelovu cenu za fyziku za rok 2019 za významné přínosy k fyzikální kosmologii, při předávání ceny poukázal na to, že zatím nemáme kompletní teorii popisující „počátek“ a že v některých aspektech je potřeba další teoretický i experimentální pokrok. Jeho výtky však nepopírají úspěch modelu v interpretaci rozsáhlé sady dat; spíše zdůrazňují, že kosmologie je aktivní a rozvíjející se obor s otevřenými problémy.

Závěrem: Teorie velkého třesku je dnes základním rámcem pro popis historie vesmíru a poskytuje vysvětlení pro řadu nezávislých pozorování – červený posuv, kosmické mikrovlnné záření, poměry primordiálních chemických prvků a velkoplošné uspořádání hmoty. Mnoho detailů už rozumíme velmi dobře, jiné zůstávají otevřené a stimulují další pozorování i teoretický vývoj.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to velký třesk?

Otázka: Jaké jsou alternativy k teorii velkého třesku?

Otázka: Jak to všechno podle této teorie začalo?

Otázka: Kdo si jako první všiml, že rozpínající se vesmír lze sledovat v čase?

Otázka: Rozpíná se vesmír i dnes?

Otázka: Co je to kosmologie?

Otázka: Souhlasí vědci s touto teorií doposud?

Hledání podle dopisu